通用原子公司正在研制小型商用粒子加速器

如果你熟悉粒子加速器，就会知道它们很大。而且价格昂贵。而且建造起来需要很长时间。例如，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机的核心是一个 27 公里长（17 英里）的磁环。该设施耗时约 10 年才投入使用，标价在 50 亿美元左右。然而，利用粒子加速器的"产品"--受激电子的想法，只要有办法利用更紧凑、更经济的机器生产受激电子，其应用范围就可能超出这种纯粹以研究为导向的设施。

杰斐逊实验室准备新紧凑型加速器腔体的团队成员

一个由公共和私营部门研究人员组成的团队利用现成的工业部件，制造出了一个小型粒子加速器原型，这可能会对该技术的商业应用产生重大影响。

在这种思想的驱使下，来自美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施和能源与国防公司通用原子公司等一系列机构的科学家们开始寻找制造更经济、更紧凑的电子束粒子加速器的方法。得益于两项新的创新，他们取得了成功。

获得转让

其中第一个突破是加速器腔体的设计方式。在创建原型的过程中，团队成员知道他们想把重点放在超导射频（SRF）粒子加速上，就像杰斐逊实验室连续电子束加速器设备中的系统一样。这种加速器通常内衬一种叫做铌的金属，这种金属在接近绝对零度时具有超导性。

正在通用原子公司组装的原型腔体 图/通用原子能公司

在新的原型中，研究小组首先使用铌，然后在其上添加了一层铌锡合金。这意味着腔体可以在更高的温度下工作，无需进行如此强烈的超强冷却。

接下来，科学家们首先在腔室外部覆盖了一层 2 毫米（0.08 英寸）的覆铜板，然后又覆盖了一层更厚的 5 毫米（0.2 英寸）覆铜板。这样的设计使得腔室能够更容易地通过传导过程将粒子加速过程中产生的热量传递到室外。

杰斐逊实验室的科学家 Gianluigi"Gigi"Ciovati 是该项目的负责人，他说："基本上是通过冷喷和电镀相结合的方法，在空腔外部建造了一个铜热毯。这为内表面产生的热量提供了一条高导热路径，使热量转移到外表面，然后流向低温冷却器"。

得益于这种基于传导的设计，该系统可以在 4 开尔文（-452 °F）的温度下运行，是大型系统所需温度的两倍。

制造加速器的铜结构 图/通用原子能公司

保持冷静

这就引出了第二项创新：低温冷却器。

在大型粒子加速器中，系统通常使用液氦低温设备进行冷却。这种设备不仅造价昂贵，而且维护费用也很高。

在新原型中，研究小组决定使用现成的低温冷却器，这种制冷系统主要用于保持许多核磁共振成像仪中超导磁体的冷却。低温冷却器的"冷头"朝向加速器腔体，结果发现它们能成功地将新的传导腔体冷却到所需的 4 开尔文。

Ciovati说："突破性技术之一是能够利用这些紧凑型商用设备通过传导对空腔进行冷却，而不是使用大型、复杂和昂贵的低温冷却设备。我们正在研究的系统不需要液氦低温设备。"

支架车上的 HTC 横截面效果图 图/通用原子能公司

测试

通用原子公司在一个被称为水平低温恒温器的系统中对新设计进行了测试。

通用原子公司磁聚变能源（MFE）部门的科学家德鲁-帕卡德（Drew Packard）说："首先，将低温恒温器中的空气抽空，然后将空腔冷却到超导阈值以下，并用小射频信号进行激励，以展示电加速梯度。通过诊断，我们证明传导冷却腔体的性能达到了与之前在杰斐逊实验室进行的液氦测试相同的规格。"

研究人员说，事实上，原型机产生的峰值表面磁场达到了 50 毫特斯拉，这是迄今为止类似装置产生的最高磁场。研究小组表示，这证明其新型紧凑型加速器可以产生增益为 100 万电子伏特（MeV）的电子，因此具有商业可行性。例如，这种系统可以帮助生产核医学用同位素，或帮助净化环境。

"电子束在各种商业应用中都非常有用，"帕卡德说。"这种紧凑型超导加速器技术在环境修复方面具有相当大的潜力，水净化就是一个例子。未经处理的水中可能含有不安全浓度的化学品，如药品或全氟辛烷磺酸，以及有害病原体，如大肠杆菌或沙门氏菌。电子束能非常有效地撕裂复杂分子和有机物，并将其分解成对人类健康和环境威胁较小的基本粒子。"

该团队表示，现在将探索如何增强该系统，使其电子束能够更深入地穿透材料，同时还将寻找在其上添加模块的方法，使其性能更加出色。

描述该系统的研究成果已发表在《物理评论加速器与光束》杂志上。